The constraints of 4G/LTE Deployment in Underground Metros

LTE dans les transports: Au service de nouveaux services
LTE dans les transports: Au service de nouveaux services
Dr. Cédric LÉVY-BENCHETON
Expert Télécom, Egis Rail
[email protected]
Résumé
La technologie radio LTE (Long Term Evolution) est le nouveau standard de communication radio à
très haut débit qui offre des perspectives intéressantes au monde des transports. Grâce au LTE, il
devient possible de mutualiser un seul canal de communication radio pour différents services :
vidéosurveillance en temps réel, information voyageur géolocalisée, Internet à haut débit... LTE est le
successeur logique des réseaux cellulaires, mais aussi du TETRA et du GSM-R.
Dans cet article, nous étudions les possibilités offertes par LTE pour l’activation de nouveaux services,
tant pour les exploitants que pour les usagers. Nous présentons les contraintes liées à son
déploiement dans le monde des transports, en extérieur et dans un métro souterrain, en nous
appuyant sur des projets réels. Finalement, nous comparons l’investissement dans un réseau LTE
privé par rapport à l’utilisation d’un réseau public, géré par les opérateurs de télécommunications.
Mots Clés : 4G/LTE, Déploiement, Services, Mobilité
1. INTRODUCTION
La technologie radio LTE (Long Term Evolution) est un standard du monde télécom qui offre des
capacités de communications étendues, comme des débits élevés et la mutualisation du canal par
plusieurs services. De fait, LTE est de plus en plus considéré par les acteurs du monde des transports
comme une solution de remplacement aux technologies actuelles : TETRA, GSM-R mais aussi CBTC.
Nous constatons un besoin croissant de communications à haut débit venant du monde des
transports, pour des services toujours plus innovants :

Pour les exploitants : échange de données sol/bord, en particulier la vidéosurveillance
embarquée en temps réel…

Pour les passagers : services connectés, comme l’information voyageur en temps réel…
Dans cet article, nous étudions comment LTE permet l’activation de nouveaux services pour
l’exploitant et pour les passagers d’un métro souterrain dans la section 2. La section 3 aborde les
contraintes d’installation du LTE pour une autorité de transport, en distinguant les transmissions en
extérieur de celles en tunnel avec des exemples. La section 4 compare les avantages et inconvénients
d’un réseau opéré (c’est-à-dire géré par un opérateur de téléphonie mobile) avec un réseau
propriétaire, entièrement dédié à l’exploitant d’un transport en commun. La section 5 conclut.
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2. LTE COMME ACTIVATEUR DE NOUVEAUX SERVICES
Grâce à ses très hauts débits, LTE est un activateur de nouveaux services. Dans un premier temps,
nous nous intéressons aux services dédiés aux exploitants de transports : vidéosurveillance en temps
réel, unification des communications, remplacement des systèmes de communication sol/bord. Dans
un second temps, nous abordons l’intérêt du LTE pour les passagers, en particulier dans le cadre d’un
métro souterrain.
Les performances du LTE offrent dès aujourd’hui des débits atteignables supérieurs à 100 Mbits par
seconde, soit 10 000 fois plus rapides que les technologies bas débit actuelles, TETRA et GSM-R. Cette
valeur, bien que théorique (c’est-à-dire atteignable par un seul utilisateur à proximité du point
d’accès), offre la possibilité de déployer de nouveaux services sur un lien radio unique. Pour ce faire,
LTE propose des mécanismes de Qualité de Service qui garantissent des performances de
transmission à chaque service : priorité, débit minimum, latence…
2.1
Les services dédiés aux exploitants de transports
Vidéosurveillance
embarquée
en temps réel
SAE
Information réseau,
Information commerciale
Statistiques Temps Réel
Radio d’exploitation
Figure 1 - Plusieurs services dédiés aux exploitants
Aujourd’hui, l’augmentation des débits proposée par LTE permet de ne déployer qu’une seule
interface radio en lieu et place des multiples technologies existantes.
La Figure 1 présente plusieurs services qui peuvent être intégrés aisément sur un lien radio LTE :

La vidéosurveillance embarquée en temps réel est le service le plus demandés par les
exploitants. Il autorise la visualisation de l’intérieur d’un véhicule en cas d’incident.
Actuellement, il est possible de transmettre jusqu’à deux flux vidéo HD en temps réel dans
des conditions d’exploitation.

Le SAE ou Système d’Aide à l’Exploitation permet de géolocaliser les véhicules et d’assurer
une bonne exploitation grâce au calcul des avances/retards. La technologie LTE offre une
standardisation qui permettra de se passer de l’interface propriétaire entre SAE et systèmes
radio actuels. Les débits permettent d’activer la géolocalisation en continu.

Les informations réseau et commerciales pourront être transmises à la volée, y compris sous
forme de vidéo (ces dernières étant actuellement préchargées au dépôt).

Les statistiques temps réels pour l’exploitation et la maintenance seront disponibles pour
chaque véhicule connecté, avec la possibilité de réaliser des diagnostics à distance.
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
3
La radio d’exploitation pourra être remplacée par une technologie standardisée, ce qui réduit
les coûts et les interfaces. Avec LTE, l’intégration de la voix sur IP sera généralisée.
D’autres services peuvent encore être imaginés. Dans tous les cas, il est à noter que la technologie
LTE offre une simplification de la vision des « services », qui se présentent désormais sous la forme
d’applications logicielles. Le réseau radio ne remplit alors que le rôle du transport des données.
Intérêt du LTE pour les passagers d’un métro souterrain
2.2
Téléphonie et Internet Mobile
dans le métro (via opérateurs télécom)
Information voyageurs
Application multi-modale
Figure 2 – Quelques services pour les passagers d'un métro souterrain
Les passagers d’un réseau de transport moderne sont habitués à être informés grâce à divers canaux :
bornes d’information voyageurs embarquées ou à quai, site Internet et réseaux sociaux, annonces
sonores, applications multi-modales… Lorsque ces passagers voyagent dans un métro souterrain, ils
s’attendent à disposer des mêmes services qu’en surface, et non à modifier leur comportement face à
l’information : certains passagers vont rallonger leur temps de trajet pour bénéficier d’une connexion.
Le déploiement d’un réseau LTE dans un métro souterrain répond à ces enjeux numériques. Ce
déploiement doit être réalisé en forte interface avec les opérateurs télécom, l’autorité de transport et
l’exploitant du réseau de transport.
La Figure 1 présente plusieurs services qui pourront bénéficier d’un tel déploiement :

La téléphonie et Internet mobile dans le métro est un service très demandé par les usagers,
mais très peu proposé en France (uniquement dans le métro parisien). Les autorités de
transports commencent cependant à comprendre ce besoin et cherchent à développer des
solutions, en partenariat avec les opérateurs télécom.

L’information voyageurs pourra être enrichie et mise-à-jour dynamiquement, y compris avec
des vidéos. Le confort des passagers s’en trouvera amélioré.

Les applications multi-modales pourront informer l’utilisateur des dernières informations du
réseau, en particulier en cas de correspondance ou d’incident. Le trajet d’un usager pourra
automatiquement être mis-à-jour de manière dynamique. Ce service s’inscrit naturellement
dans le cadre d’une politique Open Data.
Pour une autorité de transport, l’intérêt principal de proposer LTE dans un métro souterrain est
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d’augmenter la qualité perçue du réseau de transport. Un second intérêt consiste à tisser des
partenariats avec les opérateurs télécoms en vue de bénéficier de nouvelles sources de revenus. Il
devient aussi possible de connaître les flux voyageurs de manière dynamique en observant les
connexions des téléphones mobiles aux différents points d’accès situés en station ou à proximité.
3. CONTRAINTES DE DEPLOIEMENT D’UN RESEAU LTE POUR LES TRANSPORTS
Cette partie détaille différentes contraintes liées au déploiement d’un réseau LTE pour les transports.
Puis, elle présente l’exemple de deux projets en cours de réalisation pour lesquels ces contraintes
s’appliquent différemment :

Le déploiement d’un réseau LTE en tramway, pour la transmission en temps réel de flux de
vidéosurveillance embarqués et la transmission des services voix/données embarqués.

La mise-en-œuvre d’un réseau LTE opéré dans un métro souterrain, partagé par plusieurs
opérateurs. Nous expliquerons comment l’autorité de transport peut générer des revenus
grâce à ce déploiement.
3.1 Contraintes générales
3.1.1 Réglementation et régulation
Le déploiement d’un système radio est régi par des lois et des bonnes pratiques. Le LTE n’échappe pas
à ces règles. Tout d’abord, il est nécessaire de définir les fréquences radio qui seront utilisées, en
tenant compte :
1. Des possibilités offertes au niveau national (en France, l’ARCEP attribue les fréquences),
2. De la cohabitation avec les autres systèmes radio, qui ne doivent pas être perturbés par LTE.
Aujourd’hui, la principale difficulté réside dans la disponibilité de fréquences LTE pour un utilisateur
privé. Ce problème ne se pose pas pour l’utilisation de réseau LTE public opéré, les opérateurs
télécom ayant déjà acquis les droits de transmission.
3.1.2 Installation, l’exploitation, la maintenance
De nombreuses contraintes peuvent apparaître tout au long du déploiement d’un réseau LTE. Il est
donc nécessaire de les anticiper afin d’en réduire les impacts sur le système de transport.
Nous distinguons trois types de contraintes majeures :
1. Les contraintes liées à l’infrastructure, avec :
o
La localisation des points d’accès qui nécessite une certaine surface et doit souvent
faire l’objet d’autorisations.
o
La consommation des équipements qui impose un minimum de performances
vis-à-vis de l’alimentation électrique et des besoins en climatisation.
2. Les contraintes liées à l’exploitation du réseau LTE, qui ne doit pas interférer avec
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l’exploitation quotidienne du réseau de transport. Pour se faire, l’exploitant transport aura
peut-être intérêt à se reposer sur des équipes spécialistes du domaine.
3. La maintenance, qui nécessite l’établissement de règles d’intervention bien spécifiques dans
le cas où les équipements sont installés sur les emprises de l’exploitant transport. Ceci afin de
ne pas perturber le fonctionnement nominal du système de transport.
3.1.3 Composants techniques
1. Réseau d’accès
3. Équipements passifs
2. Équipements actifs
Figure 3 - Composants techniques LTE dans une station de métro souterraine
Les composants techniques d’un réseau LTE se divisent en trois domaines, comme présenté à la
Figure 3 dans une station de métro souterraine :
1. Le réseau d’accès, qui interconnecte les points d’accès et permet les communications
globales. En général, il repose sur une infrastructure fibre optique.
2. Les équipements actifs, qui gèrent les communications des utilisateurs (appels, transmission
de données…). Ils sont obligatoirement connectés au réseau d’accès.
3. Les équipements passifs, qui regroupe les antennes et les câbles installés le long du système
de transport. Ils sont connectés aux équipements actifs et transportent les signaux radio des
utilisateurs vers le réseau LTE. Ils doivent être compatibles avec les fréquences utilisées.
La difficulté du déploiement LTE réside dans l’intégration de ces différents domaines afin de fournir
un système intégré et interopérable avec les systèmes existants. Le tout dans un contexte transport,
qui dispose lui-même de ses propres contraintes d’intégration : respect des règles d’urbanisme, faible
surface des locaux techniques…
Figure 4 - Une micro-cellule LTE dans le métro de New York (États-Unis)
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Afin de répondre à ces contraintes, des solutions techniques innovantes existent :
1. Les micro-cellules (ou small cells) permettent un déploiement localisé. Grâce à cela, la
capacité globale du réseau augmente et l’intégration urbaine est facilitée (par exemple,
installation sur les poteaux de caténaire d’un tramway, au plafond d’une station de métro
comme présenté à la Figure 4).
2. La mutualisation des équipements actifs (ou Radio Access Network Sharing) permet de
partager les points d’accès entre plusieurs utilisateurs finaux, qu’ils soient opérateurs télécom
ou exploitants transport. Le nombre d’équipements est alors réduit et on peut imaginer que
des groupements d’intérêts investissent dans une infrastructure LTE mutualisée entre ses
différents acteurs.
À noter que la mutualisation peut aussi s’appliquer aux équipements passifs et au réseau d’accès.
3.1.4 Enjeux économiques et politiques
Plusieurs enjeux économiques et politiques ont une influence sur le déploiement d’un réseau LTE
pour les transports :
1. Les contraintes liées à aux droits de propriétés et à l’intégration urbaine doivent être prise
en compte dès le démarrage du projet. Une autorité de transport préfèrera installer les
points d’accès sur ses propres emprises, de manière visuellement discrète.
2. Les coûts de possession, liés aux investissements et aux coûts d’exploitation sur le long terme,
sont très élevés. Il est nécessaire de savoir qui finance les études, la fourniture, l’installation,
l’exploitation du réseau LTE et sa maintenance.
3. Les limites de responsabilités doivent être définies à chaque phase du déploiement, en
particulier après le déploiement. La maintenance du réseau LTE ne doit pas impacter
l’exploitation du réseau de transport.
D’autre part, l’autorité de transport pourra évaluer plusieurs sources de revenus dans le but de
réduire ses investissements :

La location de ses locaux techniques, pour l’installation des équipements actifs des
opérateurs télécoms.

La location de son réseau d’accès fibre optique.

L’investissement dans des équipements actifs qui seront mutualisés par ailleurs, avec un tarif
d’utilisation basé sur un niveau de performance.

La location des équipements passifs, en particulier les antennes ou points hauts existantes.

La mise-à-disposition, contre rémunération, d’une alimentation électrique, d’une
climatisation…

La nomination d’une tierce partie pour réaliser l’exploitation et la maintenance du réseau.
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3.2
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Déploiement LTE pour un tramway
Lien LTE
Micro-cellule et antennes
Réseau d’accès
PC Sécurité
Modem embarqué et antenne
Figure 5 - Architecture proposée pour un réseau LTE tramway
Nous étudions le cas réel d’un opérateur de tramway, qui souhaite déployer un réseau de
transmission LTE mutualisé entre différents services innovants : vidéosurveillance embarquée en
temps réel dans un premier temps, voix sur IP et transmission des données embarquées
(géolocalisation, statistiques, maintenance) dans un second temps.
Les principales contraintes rencontrées sont liées au débit important nécessaire pour transmettre
simultanément plusieurs flux vidéo en temps réel, des rames jusqu’au central. Afin de garantir des
débits élevés le long de la ligne, nous avons proposé une architecture à base de micro-cellules LTE
intégrées dans les stations et sur les poteaux de caténaires. Cette solution est dimensionnée pour la
transmission de quatre flux vidéo maximum par tout tramway (le réseau de bus n’est pas concerné).
Le déploiement d’un tel réseau privé est aujourd’hui soumis à autorisation et il est difficile d’obtenir
des fréquences offrant une bande passante suffisante (5 à 20 MHz). Ce point est toujours en cours de
de discussion avec les autorités du pays.
Une solution de repli consiste à mutualiser plusieurs réseaux publics, avec un coût d’investissement
moindre. Cependant, les opérateurs télécom n’offrent aucune garantie de disponibilité, ce qui peut se
révéler problématique en cas de crise.
Dans tous les cas, le matériel roulant sera équipé d’un modem LTE et de deux antennes compatibles
avec les fréquences (une solution a deux modems étant trop contraignante vis-à-vis de l’intégration).
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Cas d’un métro souterrain
(a)
(b)
Figure 6 - Quelques contraints en métro : (a) Travaux dans une nouvelle station, (b) Accès réseau partagé
La mise-en-œuvre d’un réseau LTE opéré, partagé par plusieurs opérateurs télécom dans un métro
souterrain doit tenir compte de plusieurs contraintes, comme présenté à la Figure 6 :
a) La difficulté de réaliser des travaux dans un nouveau métro à cause de la co-activité,
b) Les interventions dans les locaux techniques ne doivent pas impacter l’exploitation : ici, la
mutualisation des fibres optiques avec les systèmes critiques est une contrainte forte.
Il est alors important de réunir les différents acteurs (opérateurs télécom, architectes, maître
d’ouvrage et éventuel exploitant) afin d’évaluer ces contraintes en amont et pour définir le cadre
économique et technique du déploiement. Pour cela, il est nécessaire d’aborder les points suivants :

Les fréquences LTE, qui ne doivent pas interférer avec les autres systèmes radio.

L’impact sur le génie civil (surface disponible dans les locaux, chemins de câbles) et les
autres sous-systèmes (énergie, climatisation), dont l’influence doit être mesurée.

La position et la taille des antennes en station et en tunnel, afin de satisfaire aux exigences
d’intégration esthétique.

La définition d’un modèle économique et de répartition des investissements, pour générer
des revenus un fois le réseau déployé.

Les limites de responsabilités lors de l’installation du réseau, de son exploitation et de sa
maintenance, en vue de définir les périmètres de chaque intervenant sur la base de règles
communes et connues de tous.
La mutualisation des équipements actifs, en particulier par le biais de micro-cellules, est une solution
technique qui permet de satisfaire à une majorité de ces contraintes. L’interopérabilité de cette
solution doit néanmoins être assurée par les opérateurs télécom.
Grâce à cela, l’autorité de transport peut générer des revenus au travers d’investissements
stratégiques, comme la mutualisation et la location de ses infrastructures (locaux et équipements).
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Des modèles économiques innovants peuvent être imaginés pour augmenter les revenus de l’autorité
de transport. Par exemple, la création d’une co-entreprise en partenariat avec les opérateurs télécom
amènera à définir un interlocuteur unique pour le déploiement et la maintenance du réseau LTE.
4. DISCUSSION : RESEAU PROPRIETAIRE OU PUBLIC OPERE ?
Une autorité de transport a deux solutions qui lui permettent d’accéder à LTE :
1. En déployant un réseau propriétaire qui lui appartient, comme pour les technologies
actuelles de transmission radio voix/données.
2. En utilisant les réseaux LTE existants, appartenant aux opérateurs publics.
Le Tableau 1 détaille les contraintes pour chacune de ces solutions.
Tableau 1 – Application des contraintes aux réseaux LTE propriétaire et public opéré
Fréquences
Réseau LTE propriétaire
Réseau LTE public opéré
 Soumise à autorisation
 Réutilisation des fréquences
(aucune attribution à ce jour)
Sites radio
 À créer si nécessaire
 Utilisation des sites existants
 Nombre important requis pour la
 Création de nouveaux sites non
vidéosurveillance en temps réel
Équipements
opérateurs
 Pris en charge par l’autorité de
transport
 Système intégral, y compris cœur de
assurée
 Pris en charge par les opérateurs
 Compatibilité des équipements avec
le cœur de réseau opérateur
réseau
Déploiement
 Architecture intégrant les besoins de
l’exploitant
Exploitation
 Qualité de service garantie (débit,
disponibilité)
 Intégration dans le Matériel Roulant
à la charge de l’exploitant
 Aucune garantie de performances
(débit, disponibilité)
Maintenance
 À charge du propriétaire
 Contrat de maintenance
Coûts
 Investissement important
 Faible investissement
 Coûts d’exploitation : énergie,
 Abonnement mensuel (~80 € par
climatisation…
Rémunération
 Partage possible de l’infrastructure
carte SIM)
 Aucune
Un réseau LTE propriétaire nécessite des investissements conséquents. Les bandes de fréquences
aujourd’hui disponibles ne permettent pas leur déploiement immédiat. Mais il est néanmoins
nécessaire de réfléchir dès aujourd’hui à leur intégration au regard des systèmes centraux, du
matériel roulant et du périmètre urbain. À terme, il faudra réfléchir à de nouveaux modèles
économiques permettant d’amortir les coûts de déploiement de ces réseaux LTE propriétaires (par
exemple : mutualisation).
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Bien que la solution d’un réseau LTE public opéré semble poser moins de contraintes que pour un
réseau LTE propriétaire, les opérateurs télécom n’offre aucune des garanties demandées par les
exploitants transport (en particulier au niveau de la disponibilité). Leur utilisation pour des
applications critiques n’est donc pas envisageable, mais elle reste intéressante dans le cadre
d’expérimentations en amont d’un déploiement LTE propriétaire.
Dans le futur, les réseaux LTE opérés cohabiteront avec les réseaux LTE privés. Ils pourront offrir des
solutions de repli, par exemple en cas de défaillance du réseau propriétaire ou dans les zones non
couvertes par ce dernier.
5. CONCLUSION
En conclusion, nous avons montré que LTE est une technologie tout à fait adaptée aux nouveaux
services, mais qui nécessite de prendre certaines précautions, afin que les choix réalisés en amont et
au cours de son déploiement restent en cohérence avec son utilisation finale.
Nous avons présenté les contraintes liées au déploiement d’un réseau LTE : elles ne sont pas que
techniques. La disponibilité des fréquences privées est aujourd’hui le principal frein au
développement de la technologie, en France comme à l’étranger.
Aujourd’hui, seuls les réseaux LTE opérés peuvent offrir aux opérateurs de transports un accès
anticipé à la technologie LTE, en attendant l’attribution de fréquences dédiées à des usages privés.
Malgré le manque de garanties pour la transmission de données critiques, cette approche peut se
révéler intéressante pour des expérimentations.
C’est aussi les opérateurs publics qui peuvent répondre à la demande croissante des usagers de
bénéficier d’une connectivité sans faille sur l’ensemble du territoire urbain, y compris dans un métro
souterrain. Pour ce faire, il convient de réfléchir à des modèles économiques innovants afin de limiter
les coûts de déploiement, tout en permettant aux opérateurs télécom d’offrir leurs services, et à
l’autorité de transport de bénéficier d’une nouvelle source de revenus.
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